Grafikkarte Funktionsweise und Anwendung PNGFiles by Laurin Birchler

Grafikkarte Funktionsweise und Anwendung ©PNG-Files by Laurin Birchler Alle Rechte vorbehalten, Research by Alessio Giuriato, Max Flohr, Gian Widmer und Laurin Birchler, Präsentation im Auftrag von Herr Michael Schneider

Inhalt der Präsentation • Funktionsweise • Kategorien und Anwendungsbereiche • Kosten der Kategorien • Fachbegriffe

Die Funktionsweise Wir unterteilen die Grafikkarte folgendermassen: • Die Platine (Das «Mainboard» der Grafikkarte) • Der VRAM (Der Arbeitsspeicher der Grafikkarte) • Der Grafikprozessor • Die Shadereinheiten

Der Grafikprozessor ist der grösste Controller auf der Platine. Man erkennt ihn meist sofort, da er genau unter dem grossen Lüfter einer Karte liegt. Die Aufgabe des Grafikprozessors ist das Berechnen der Bildausgabe. Er unterscheidet sich nicht sehr gross von der normalen Desktop-CPU. Die GPU hat das gleiche Ziel wie die CPU, nämlich das schnelle verarbeiten von Befehlen. Hauptunterschiede sind im Wesentlichen die Aufbauten. Während der normale Desktop-Prozessor 2 -8 Kerne besitzt, hat die GPU z. T mehrere Hundert. Dafür takten diese erheblich langsamer mit gerade mal 1 -2 GHz während eine CPU bis zu 5 GHz und mehr takten kann.

Vergleich CPU/GPU Die CPU Einheit des Desktops Die GPU Einheit der Grafikkarte • Weniger Kerne • Schneller (Bis zu 5 GHz) • Viele Kerne • Langsamer (Bis zu 2. 2 GHz)

Die Shadereinheiten Unter den Shadereinheiten versteht man die einzelnen Grafikkerne. Es sind verschiedene Rechnereinheiten, wessen Aufgaben rechts bildlich dargestellt sind. • «Raster Operatin Processor» Antialaising • Effektberechnung • Texture Mapping Unit • Ausschliessen von Pixel • Veränderung der Geometrie • Verfeinern der Polygome

Kategorien und Anwendungsbereiche • Bei Grafikkarten unterscheiden wir grob in folgende Kategorien • CAD Grafikkarte (und auch CAD-Server-Render-Units) • Desktop Grafikkarte (auch IGPU/APU integrated graphic process unit) • Gaming Grafikkarte CAD (Computer aided Design) Grafikkarten sind auf eine hohe Anzahl Shadereinheiten konzipiert, sodass man mit Hilfe von ihnen komplexe 3 D Modelle effizient und schnell rendern kann. Man findet sie z. B in Workstation-Desktops, Renderserver oder auch in normalen PCs. Die Desktopgrafikkarte hingegen beschränken sich auf das wenigste. Man kann mit ihnen alltägliche Aufgaben leicht bewältigen. Sie sind darauf ausgelegt, mit sehr wenig Strom zu arbeiten. Man findet solche Grafikchips auch in Prozessoren als sogenannte IGPU(Intel) oder APU(AMD). Wie der Name schon sagt, sind Grafikkarten der Kategorie «Gaming» auf maximale Leistung bei hoher Effizienz ausgelegt. Die Taktrate sowie der Chiptakt sind von Werk aus bereits übertaktet. Solche Karten benötigen ausserdem eine separate Stromversorgung, da sie meist mehr als die 75 W aus dem PCI-e Slot benötigen.

Beispiele NVIDIA TESLA K 80 RENDER UNIT ©Laurin Birchler ©Nvidia. com GTX 960 2 GB GAMING ©AMD-RADEON. com ©Laurin Birchler IGPU ON I 5 4460 DESKTOP AMD FIRE PRO V 7900 CAD

Fachbegriffe GPU (graphics processing unit) Shader-Kerne Eine GPU ist ein Prozessor welcher auf Berechnungen von Grafiken spezialisiert wurde. Dieser sorgt dafür, dass Grafiken auf einem oder mehreren Displays angezeigt werden. Auch für 2 D oder 3 D Darstellungen wird eine GPU benötigt. Heutzutage ist das auch ohne Grafikkarte möglich, da der normale Prozessor einen Grafiktreiber hat. GPUs werden in Computer, Spielekonsolen und Smartphones verwendet. Ein Shader ist ein kleiner Prozessor innerhalb der GPU. Eine GPU hat mehrere hundert Shader sind auf unterschiedliche Funktionen oder auf bestimmte Berechnungen optimiert. Früher wurden Shader in Grafikkarten in spezielle Recheneinheiten aufgeteilt. Zum Beispiel in Vertex. Shader, welche die Position eines Objekts und die Beleuchtung berechneten, und Pixel-Shader, die für die Farben und Strukturen zuständig waren. In den neuen GPU’s sind nur noch Unified-Shader vorhanden, welche je nach Bedarf die Vertex und Pixel-Shader vertreten. FLOPS (Floating Point Operations Per Second) Video-RAM Dies ist ein Massstab für die Geschwindigkeit von Computern oder Prozessoren, in unserem Fall für eine GPU. Die modernsten Grafikkarten, zum Beispiel eine NVIDIA Geforce GTX 1080, besitzt 9 Teraflops^. Das wären 9'000'000 FLOPS. Ein V-RAM ist ein wiederbeschreibbarer Grafikspeicher. Er ist von dem normalen Arbeitsspeicher getrennt und ist optimiert für die Auffrischung von Bildinhalten. Das bedeutet, dass er Grafiken zwischenspeichert. Falls eine Grafik also wiederverwendet werden muss, ist sie sofort verfügbar.

Basistakt Übertakten / Overclocking Mit dem Basistakt gibt man die Geschwindigkeit an, mit der Daten in Computern verarbeitet werden können. Der Massstab für diese Geschwindigkeit wird in Hertz angegeben. Da die modernen Prozessoren mehrere Milliarden Hertz haben, wird meistens Megahertz, abgekürzt MHz, angegeben. Das Übertakten von Grafikkarten wird benötigt, um eine höhere Rechenleistung zu erzielen. Dies bedeutet das die Taktfrequenz über die Hersteller-Spezifikation steigt. Dies ist jedoch nicht immer stabil, da dadurch Rechenfehler oder Überhitzungsgefahr besteht. Die modernen Grafikkarten übertakten automatisch wenn die nötige Leistung gebraucht wird, jedoch ist die Stabilität hierbei geprüft. Das Gegenteil von Übetakten ist Untertakten, welches für Energiesparen geeignet ist. CUDA (Compute Unified Device Architecture) APU (Accelerated Processing Unit) Dies ist die Programmiertechnik von NVIDIA Grafikkarten. CUDA sorgt dafür, dass der Grafikprozessor (GPU) Programmaufgaben übernimmt. RAMDAC (Random Access Memory Digital/Analog Converter) Das ist ein Chip in einer Grafikkarte, welcher die Umwandlung von Digitalem zu analoge Bildsignale durchführt. Eine APU ist eine Bezeichnung für einen Hauptprozessor mit integrierten Koprozessoren. Dadurch soll der Haupt Prozessor durch die Koprozessoren in bestimmten Aufgaben beschleunigten werden. Diese Technik wir fast ausschliesslich von AMD genutzt. GDDR (Graphics Double Data Rate) GDDR ist die Bezeichnung für DDR-Arbeitsspeicher, welcher in Grafikkarten eingebaut ist.